CN205281199U - 一种冗余现场总线i/o控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种冗余现场总线I/O控制装置，包括控制主板、显示控制板、电源端子、开关量输入信号端子、开关量输出信号端子及通讯端子；控制主板包括中央处理器、存储器、电源接口、输入接口、输出接口、两个DP从站控制器、两个光电隔离电路、两个收发电路；显示主板包括按键组、显示屏、指示灯组。本发中两个DP从站接口各自由与其对应的DP从站控制器控制，可分别与主站进行完整的数据通讯；通电时通过电源指示灯进行显示，通过两个指示灯显示两个DP网络的状态，通过显示屏显示测量和组态数据；通讯端子提供可插拔端子和DB9插座两种方式，接线方式可选。本实用新型结构简单，成本低，可靠稳定，通讯率高，大幅减少了电缆使用。

Description

一种冗余现场总线I/O控制装置

技术领域

本实用新型涉及现场总线I/O控制技术领域，尤其涉及一种冗余现场总线I/O控制装置。

背景技术

目前的现场电动设备例如门、阀等总线控制***，基本都是采用进口的带DP从站接口的电动门，不仅价格昂贵且接口不冗余，同时备品备件、设备维护等都存在问题，而对于国产电动门、阀等的控制，大部分还是采用和分布式控制***(DistributedControlSystem，DCS)***硬接线的方式实现，无法直接控制相应的现场设备。PROFIBUS-DP总线是现场总线国际标准之一，也是我国第一个现场总线国家标准，由三个兼容部分组成：PROFIBUS－DP，ROFIBUS－PA，PROFIBUS-FMS，其中DP即DecentralizedPeriphery-分散***，PA即ProcessAutomation-工序自动化，FMS即FieldbusMessageSpecification-现场总线报文规范，PROFIBUS–DP是一种高速(波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s)低成本通信解决方案，常用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。但是，现有现场总线I/O(输入/输出)模块还存在如下不足：一、无冗余接口，提供的都是单一接口，一旦接口、主站或总线电缆出现异常，就会无法正常通讯；二、无法在现场设置模块的有关参数并且查看模块的通讯状态以及I/O情况；三、不能在现场进行参数设置，就地操作测试，及模块的继电器输出和所带负载设备的动作等情况测试；四、DP从站模块都是采取DB9插座的方式和外界连接，外部通讯总线必须经T型总线连接器才能和模块连接，方式固定，不方便了现场的安装和接线；五、I/O模块的现场应用环境较为恶劣，可能有大功率电气设备和变频器等强干扰源，且通讯线所经过的电缆桥架内可能含有各种现场干扰，抗干扰设施不全面，影响模块正常工作；六、可靠性差，通讯速率低，现场电缆繁杂，应用效果不好。

实用新型内容

本实用新型的目的在于通过一种冗余现场总线I/O控制装置，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种冗余现场总线I/O控制装置，包括控制主板、显示控制板、电源端子、开关量输入信号端子、开关量输出信号端子及通讯端子；所述控制主板包括中央处理器、存储器、电源接口、输入接口、输出接口、两个DP从站控制器、两个光电隔离电路、两个收发电路；所述显示主板包括按键组、显示屏、指示灯组；所述存储器、电源接口、输入接口、输出接口以及两个DP从站控制器连接中央处理器，所述两个光电隔离电路与两个DP从站控制器对应连接，所述两个收发电路对应连接两个光电隔离电路；所述电源端子、开关量输入信号端子、开关量输出信号端子、通讯端子与控制主板上的电源接口、输入接口、输出接口、两个收发电路连接；所述按键组、显示屏、指示灯组连接控制主板。

特别地，所述通讯端子包括两个三芯可插拔通讯端子和DB9插座。

特别地，所述控制主板还包括复位电路和看门狗电路，所述复位电路和看门狗电路电连接所述中央处理器。

特别地，所述DP从站控制器选用SPC3芯片；所述收发电路选用RS485收发电路。

特别地，所述按键组包括复位按键、调节按键、备用按键及设置/确认按键。

特别地，所述显示屏选用LCD显示屏。

特别地，所述指示灯组包括电源指示灯和两个DP网络工作指示灯。

特别地，所述开关量输入信号端子的开关量输入点数为十二点，每个输入点两个端子，由两组各十二个双层端子构成。

特别地，所述开关量输出信号端子的输出点数为六点，输出方式为带公共端的一个常开接点和一个常闭接点，每个输出点三个端子，由一组十八芯双层端子构成。

本实用新型提出的冗余现场总线I/O控制装置具有如下优点：一、冗余接口。两个完全独立、可同时工作的DP从站接口各自由与其对应的DP从站控制器控制，可以分别与主站进行完整的数据通讯，并实现对现场设备的启停控制盒状态采集。二、现场显示及组态。通电时通过电源指示灯进行显示，并通过两个DP网络工作指示灯分别显示两个DP网络的工作和通讯状态，同时可配字符通过显示屏液晶显示，显示测量和组态数据以及前端各通讯口的工作状态等参数，方便调试和维护，并可进行现场组态。同时，通过按键组和显示屏可以在现场进行参数设置和就地操作测试，特别是模块的继电器输出和所带负载设备的动作等情况测试，方便了现场调试、检修和测试。三、接线方式丰富。通讯端子同时提供了可插拔端子和DB9插座两种方式，可视情况选择接线方式，方便了现场的安装和接线。四、可同时带多台设备。开关量输入信号端子、开关量输出信号端子为6DO/12DI，如果连接的负载设备I/O点不多，则可多台设备共用同一模块，减少了***成本，比独立的自带总线接口的设备更具性价比的优势。五、开放性强。由于采用了现场总线技术，本实用新型具有很好的开放性，通讯协议是完全开放和公开的，非常易于和其它***特别是DCS进行联网。六、高抗干扰能力和环境适应性。本实用新型中I/O采用光电隔离、继电器隔离，通讯采用光电隔离、通过光纤传输等，此外，屏蔽中使用了通讯线屏蔽、金属机壳屏蔽，校验运用奇偶校验、报文累加和校验，具有非常强的环境适应和抗干扰能力。本实用新型工作的环境温度为-20℃-70℃，防护等级为IP56，因此适用于锅炉顶部等温度环境比较恶劣的场所。本实用新型结构简单，成本低，可靠稳定，通讯率高，大幅减少了电缆使用，易于推广使用。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的冗余现场总线I/O控制装置整体结构图；

图2为本实用新型实施例提供的冗余现场总线I/O控制装置结构框图；

图3为本实用新型实施例提供的电源端子接线示意图；

图4为本实用新型实施例提供的电源端子、开关量输入信号端子、开关量输出信号端子及通讯端子的排布及实体结构图；

图5为本实用新型实施例提供的开关量输入的显示格式示意图；

图6为本实用新型实施例提供的DP通讯接口A状态显示示意图；

图7为本实用新型实施例提供的DP通讯接口B状态显示示意图；

图8为本实用新型实施例提供的非设置状态时显示屏显示示意图；

图9为本实用新型实施例提供的进入设置状态后显示屏显示示意图；

图10为本实用新型实施例提供的DP通讯接口A的地址设置示意图；

图11为本实用新型实施例提供的DP通讯接口B的地址设置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容，除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，不是旨在于限制本实用新型。

请参照图1和图2所示，本实施例中冗余现场总线I/O控制装置具体包括控制主板(图中未示出)、显示控制板101、电源端子102、开关量输入信号端子103、开关量输出信号端子104及通讯端子105。实际应用中控制主板、显示控制板101、电源端子102、开关量输入信号端子103、开关量输出信号端子104及通讯端子105均设置于金属机壳106内。所述控制主板包括中央处理器201、存储器202、电源接口203、输入接口204、输出接口205、显示屏接口206、按键接口207、两个DP从站控制器208、两个光电隔离电路209、两个收发电路210；所述显示主板包括按键组、显示屏107、指示灯组；所述存储器202、电源接口203、输入接口204、输出接口205、显示屏接口206、按键接口207以及两个DP从站控制器208连接中央处理器201，所述两个光电隔离电路209与两个DP从站控制器208对应连接，所述两个收发电路210对应连接两个光电隔离电路209；所述电源端子102、开关量输入信号端子103、开关量输出信号端子104、通讯端子105与控制主板上的电源接口203、输入接口204、输出接口205、两个收发电路210连接；所述按键组、显示屏107、指示灯组连接控制主板。在本实施例中所述控制主板还包括复位电路和看门狗电路，所述复位电路和看门狗电路电连接所述中央处理器201。存储器202选用EEPROM芯片，主要用于保存被设定的两个网的从站地址(可相同或不同)。输入接口204用于采集现场设备反馈信号。输出接口205用于为继电器输出，用来控制现场设备。显示屏接口206用于连接显示屏107，进行参数设定和数据显示。按键接口207用于连接按键组，进行现场设定和操作。对于需要采集模拟量数据的现场而言，可以增加1或2路AI接口。本实施例中所述按键组包括复位按键108、调节按键109、备用按键110及设置/确认按键111，其中，复位按键108用“R”表示；调节按键109包括上调按键和下调按键，分别用“∧”“∨”表示；备用按键110用“*”表示；设置/确认按键111用“S”表示。“S”：在测量状态时，按该键进入设置状态。在设置状态为确认键。“∧、∨”：在非设置状态时，改变显示内容。在设置状态时用于修改参数。“*”：备用键。“R”：无论何时，按该键均将使前端复位。所述显示屏107选用LCD显示屏。所述指示灯组包括电源指示灯112和两个DP网络工作指示灯113。

于本实施例，所述DP从站控制器208选用SPC3芯片。所述收发电路210选用RS485收发电路。SPC3芯片是一种用于PROFIUBS-DP开放式工业现场总线智能化接口芯片，SPC3集成了完整的DP协议，其中包括方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器、各种缓冲器指针和缓冲区等，有效地减轻了中央处理器压力，可用于12Mbaud总线。DP从站状态机实际上是所有PROFIBUS-DP从站从上电工作开始到和主站进行循环数据交换过程期间所必须经过的几个主要的状态阶段，该状态机中有四个状态：①、上电复位状态：在冗余现场总线I/O控制装置上电后，两个冗余的DP从站控制器均进入Power_On状态，在中央处理器对两个DP从站控制器进行必要的参数设置和初始化并启动DP从站控制器后，DP从站控制器进入波特率匹配状态，不断更换波特率以便和所连接的DP主站实现波特率同步，此时，如果允许更改从站地址的两个端子(冗余现场总线I/O控制装置右下侧)短接(必须在上电前短接，否则不能更改冗余现场总线I/O控制装置地址)，则可以通过DP主站或笔记本上的调试软件设定新的从站地址。注意：两个设定端子短接并重新上电后(上电几秒后断开即可，否则下次重上电会再次进入地址设定状态)，两个从站单元的地址都变为默认的126，不论需要设定的两个DP接口的地址是否相同，都应分别进行设置。②、等待参数化状态：在具备了用户指定的从站地址(从存储器读取或重新设定)并且对接口芯片初始化完成并启动其工作后，从站进入等待参数化状态，也就是等待来自主站的参数化报文，该报文携带了部分从站运行参数，参数化成功后，从站返回确认报文，由于主站只与被它参数化的从站进行数据交换，因此，参数化的目的实际上是建立主从站之间的隶属关系。③、等待组态状态：参数化完毕后，从站进入等待组态状态，等待检查组态报文，该报文检查从站的输入/输出字节数是否和主站所掌握的或GSD文件中描述的相同(报文中携带的组态数据是主站期望的数据)。④、数据交换状态：在上述过程完成后，主站可能再发一次读取从站诊断数据的报文，以检查从站目前的状态，在确认从站已经进入数据交换状态后，则主站对该站的操作进入周期交换数据状态，主站不断向从站写入输出数据(在有输出数据时)同时获取最新的从站输入数据信息。这个状态是主从站连接的目的状态，也是常态状态，如果因为某种原因导致从站退出了数据交换状态，则主站与其连接则至少要从第二阶段开始，也就是说，主从站之间的连接不能跳过参数化和组态阶段而直接进入数据交换。

如图3所示，本实施例中所述电源端子102为3芯可插拔端子，包括端子头301和端子座302，自左至右依次为L、N、G，对应于可接受的85-265VAC的火线303、零线304和地线305。前端的电源输入为交流220V或110V(每台前端的功耗不超过5W，范围85-265V)，占用三个接线端子，依次为火线303、零线304和地线305。在接入电源线时应注意其极性必须与端子标示一一对应，即火线303应接入标示为“L”的端子、零线304应接入标示为“N”的端子、地线305应接入标示为“G”的端子。

如图4所示，本实施例中所述开关量输入信号端子103的开关量输入点数为十二点，每个输入点两个端子，由两组各十二个双层端子构成，端子号为1-24，上层为奇数通道，下层为偶数通道，上层1、2为第1路开关量输入的接线端子；3、4为第3路开关量输入的接线端子；依此类推，17、18为第11路开关量输入的接线端子。下层7、8为第2路开关量输入的接线端子；9、10为第4路开关量输入的接线端子；依此类推，23、24为第12路开关量输入的接线端子。接线时，将输入接点的两端直接接入对应输入点的接线端子即可。所述开关量输出信号端子104的输出点数为六点，输出方式为带公共端的一个常开接点和一个常闭接点，每个输出点三个端子，由一组十八芯双层端子构成，端子号为25-42，25、26、27为第1路开关量输出的接线端子；28、29、30为第2路开关量输出的接线端子；31、32、33为第3路开关量输出的接线端子；34、35、36为第4路开关量输出的接线端子；37、38、39为第5路开关量输出的接线端子；40、41、42为第6路开关量输出的接线端子。接线时，根据接点的类型，分别将负载直接接入对应输出点的相应接线端子即可。用常开接点时接前面两个端子，用常闭接点时接后面两个端子。以第1输出点为例，当采用常开接点时，接25、26端子，采用常闭接点时，接26、27端子。

所述通讯端子105包括两个三芯可插拔通讯端子和DB9插座，分别用于通过端子方式和总线连接器方式连接现场总线。一般情况下推荐采用常规端子连接(进出线短接后再连接至端子内)，在网络终端加装连接器并将终端电阻开关拨至“ON”档。所述两个三芯可插拔通讯端子和DB9插座均分别对应控制主板上的DP通讯接口A和DP通讯接口B。DP通讯接口A、DP通讯接口B对应DP网络A和DP网络B。

下面扼要对指示灯组、显示屏及按键组进行说明。一、指示灯组。电源指示灯提示电源接通。两个DP网络工作指示灯即DPA和DPB分别用于网络状态，DPA长亮时表示DP网A正在通讯，DPB长亮时表示DP网B正在通讯。二、显示屏。本实施中显示屏选用LCD显示屏。在非设置状态时，LCD液晶显示屏用于显示有关测量数据和通讯接口状态，开关量输入和输出分别显示，开关量输入的显示格式如图5所示，屏的上部显示的是开关量输入的十六进制数据，其中1-8通道一个字节，9-12通道一个字节(实际用半个字节，高四位固定置0)。屏的下面一行显示的是开关量输入的二进制数据，1-8和9-12通道分开显示，前面8位二进制数据自左至右分别对应8-1通道的二进制值，为1时表示输入接点闭合，为0时表示输入接点断开，后面的四位则是对应12-9通道的二进制数据。比如，当1、5通道闭合，2，3，4，6，7，8通道断开时，对应的十六进制数据是11，二进制是00010001。当9、10通道闭合，11，12通道断开时，对应的十六进制数据是03，二进制是0011(只显示有效的低四位)。显示内容通过按调节按键“∧、∨”键，还可以显示以下参数：如图6所示，DP通讯接口A状态显示，上面一行显示DP通讯接口A的地址，下面是DP通讯接口A的通讯状态和目前的波特率。通讯状态是下面四种之一：Wait_PRM：等待参数化；Wait_CFG：等待组态；DATA_EX：数据交换；ERROR：接口异常；正常运行时，应持续保持DATA_EX(数据交换)状态。如图7所示，DP通讯接口B状态显示，DP通讯接口B的显示含义同上。二、测量状态显示及操作。如图8所示，在非设置状态时，显示屏用于显示有关测量数据和通讯接口状态，可以通过按“∧、∨”键选择不同的显示内容。按“S”进入设置状态。三、设置状态显示及操作。a.进入设置状态后，首先显示输入密码，格式如图9所示。b.按“∧、∨”键输入12后按“S”键，可以设置本机的DP通讯接口A的地址如图10所示。按“∧、∨”键修改地址至希望值。c.再次按“S”键，设置本机的DP通讯接口B的地址如图11所示。一般情况下，当DP通讯接口A和DP通讯接口B完全冗余时，应就地址设置成相同的地址值，特殊情况下，也可以不同。d.再次按“S”键，则保存刚才设置的地址数据并退回显示测量值状态。

另外，由于该冗余现场总线I/O控制装置的现场应用环境较为恶劣，可能有大功率电气设备和变频器等强干扰源，且通讯线所经过的电缆桥架内可能含有各种现场干扰，因此，冗余现场总线I/O控制装置的抗干扰措施十分重要,冗余现场总线I/O控制装置内所采取的主要措施包括：隔离(I/O：光电隔离、继电器隔离，通讯：光电隔离、通过光纤传输等)；屏蔽(通讯线屏蔽、金属机壳屏蔽)；校验(奇偶校验、报文累加和校验)；除模块本身所采取的上述措施外，还应采取以下方法：冗余现场总线I/O控制装置安装位置应尽量远离大功率电气设备和变频器等强干扰源。通讯线应禁止与动力电缆或有频率信号的电缆平行敷设。通讯线的屏蔽线必须接好并确保单端接地。

本实用新型的技术方案具有如下优点：一、冗余接口。两个完全独立、可同时工作的DP从站接口各自由与其对应的DP从站控制器控制，可以分别与主站进行完整的数据通讯，并实现对现场设备的启停控制盒状态采集。二、现场显示及组态。通电时通过电源指示灯进行显示，并通过两个DP网络工作指示灯分别显示两个DP网络的工作和通讯状态，同时可配字符通过显示屏液晶显示，显示测量和组态数据以及前端各通讯口的工作状态等参数，方便调试和维护，并可进行现场组态。同时，通过按键组和显示屏可以在现场进行参数设置和就地操作测试，特别是模块的继电器输出和所带负载设备的动作等情况测试，方便了现场调试、检修和测试。三、接线方式丰富。通讯端子同时提供了可插拔端子和DB9插座两种方式，可视情况选择接线方式，方便了现场的安装和接线。四、可同时带多台设备。开关量输入信号端子、开关量输出信号端子为6DO/12DI，如果连接的负载设备I/O点不多，则可多台设备共用同一模块，减少了***成本，比独立的自带总线接口的设备更具性价比的优势。五、开放性强。由于采用了现场总线技术，本实用新型具有很好的开放性，通讯协议是完全开放和公开的，非常易于和其它***特别是DCS进行联网。六、高抗干扰能力和环境适应性。本实用新型中I/O采用光电隔离、继电器隔离，通讯采用光电隔离、通过光纤传输等，此外，屏蔽中使用了通讯线屏蔽、金属机壳屏蔽，校验运用奇偶校验、报文累加和校验，具有非常强的环境适应和抗干扰能力。本实用新型工作的环境温度为-20℃-70℃，防护等级为IP56，因此适用于锅炉顶部等温度环境比较恶劣的场所。本实用新型结构简单，成本低，可靠稳定，通讯率高，大幅减少了电缆使用，易于推广使用。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种冗余现场总线I/O控制装置，其特征在于，包括控制主板、显示控制板、电源端子、开关量输入信号端子、开关量输出信号端子及通讯端子；所述控制主板包括中央处理器、存储器、电源接口、输入接口、输出接口、两个DP从站控制器、两个光电隔离电路、两个收发电路；所述显示主板包括按键组、显示屏、指示灯组；所述存储器、电源接口、输入接口、输出接口以及两个DP从站控制器连接中央处理器，所述两个光电隔离电路与两个DP从站控制器对应连接，所述两个收发电路对应连接两个光电隔离电路；所述电源端子、开关量输入信号端子、开关量输出信号端子、通讯端子与控制主板上的电源接口、输入接口、输出接口、两个收发电路连接；所述按键组、显示屏、指示灯组连接控制主板。

2.根据权利要求1所述的冗余现场总线I/O控制装置，其特征在于，所述通讯端子包括两个三芯可插拔通讯端子和DB9插座。

3.根据权利要求1所述的冗余现场总线I/O控制装置，其特征在于，所述控制主板还包括复位电路和看门狗电路，所述复位电路和看门狗电路电连接所述中央处理器。

4.根据权利要求1所述的冗余现场总线I/O控制装置，其特征在于，所述DP从站控制器选用SPC3芯片；所述收发电路选用RS485收发电路。

5.根据权利要求1所述的冗余现场总线I/O控制装置，其特征在于，所述按键组包括复位按键、调节按键、备用按键及设置/确认按键。

6.根据权利要求1所述的冗余现场总线I/O控制装置，其特征在于，所述显示屏选用LCD显示屏。

7.根据权利要求1所述的冗余现场总线I/O控制装置，其特征在于，所述指示灯组包括电源指示灯和两个DP网络工作指示灯。

8.根据权利要求1所述的冗余现场总线I/O控制装置，其特征在于，所述开关量输入信号端子的开关量输入点数为十二点，每个输入点两个端子，由两组各十二个双层端子构成。

9.根据权利要求1至8之一所述的冗余现场总线I/O控制装置，其特征在于，所述开关量输出信号端子的输出点数为六点，输出方式为带公共端的一个常开接点和一个常闭接点，每个输出点三个端子，由一组十八芯双层端子构成。